Research Article

Algoritmo quantistico efficiente per la crittografia post-quantistica

DOI:

10.3791/68934

November 14th, 2025

In This Article

Summary

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Questo protocollo descrive l'implementazione di una "crittografia basata su codice" con un circuito quantistico esplicito per una crittografia quantistica efficiente con una chiave asimmetrica di grandi dimensioni utilizzando l'aritmetica quantistica con la trasformazione quantistica di Fourier.

Abstract

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La realizzazione dei computer quantistici potrebbe influenzare in modo significativo la società e la sicurezza globale in molti modi. Una notevole quantità di ricerca è stata rivolta alla crittografia quantistica, macchine che sfruttano le sensazioni computerizzate quantistiche per risolvere problemi matematici inaccessibili ai computer convenzionali. La fiorente sesta generazione di "informatica quantistica" può rompere e minacciare gran parte dell'attuale protezione e dell'economia digitale, ma può fornire alternative crittografiche. Pertanto, siamo in grado di ottimizzare vari processi in modo più efficace, migliorando l'efficienza e consentendo simulazioni di meccanica quantistica più rapide per una migliore progettazione di farmaci e materiali, tra le altre applicazioni. Questa ricerca si concentra sull'implementazione di un algoritmo crittografico post-quantistico collegando la moltiplicazione quantistica di grandi numeri con un generatore di numeri casuali quantistici (QRNG). Un approccio crittografico basato su codice che utilizza una trasformazione quantistica di Fourier (QFT) viene adottato con una chiave asimmetrica gigante in un circuito quantistico esplicito per stabilire un sistema di comunicazione quantistica sicuro. In questo lavoro di ricerca, un "testo normale" (dati classici) è stato crittografato con QRNG utilizzando un moltiplicatore quantistico con l'aiuto dell'aritmetica quantistica. Di conseguenza, i dati quantistici risultanti con i dati QRNG verranno trasmessi all'estremità del ricevitore attraverso il canale quantistico, dove il divisore quantistico li decrittografa. Inoltre, i risultati della simulazione IBM Qiskit di ciascun componente previsto e l'analisi comparativa con lavori e algoritmi precedenti suggeriscono una maggiore robustezza e affidabilità dell'algoritmo di prova quantistica proposto quando si considerano dispositivi quantistici di grandi qubit. Il lavoro fornisce una direzione preziosa per ulteriori sviluppi in questo settore e apre la strada a future applicazioni dell'informatica quantistica nella crittografia post-quantistica.

Introduction

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Il calcolo quantistico si basa su bit quantistici (qubit), che differiscono fondamentalmente dai bit classici. Mentre un bit classico può esistere solo nello stato 0 o 1, un qubit può rappresentare 0, 1 o qualsiasi sovrapposizione lineare di entrambi gli stati contemporaneamente. Questa proprietà consente ai sistemi quantistici di archiviare ed elaborare un numero elevato di valori in parallelo anziché in sequenza. Al momento della misurazione, il qubit collassa in uno stato definito, fornendo il risultato computazionale. Il parallelismo intrinseco dell'elaborazione quantistica offre un'accelerazione significativa, con stime che sugge....

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Protocol

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Questo articolo utilizza l'algoritmo, utilizzando l'aritmetica quantistica e la trasformazione di Fourier veloce quantistica13, per decrittografare il messaggio dividendo il testo cifrato per la chiave simmetrica. L'obiettivo principale di questo studio è dimostrare l'implementazione quantistica della crittografia basata su chiavi simmetriche generando una chiave casuale, impiegando un algoritmo di moltiplicazione di grandi dimensioni ed eseguendo un gran numero di divisioni sull'ambiente IBMQ v1.7.4. Nella Figura 1 viene illustrato il processo end-to-end per l'implementazione dell....

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Results

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Tutti i componenti del circuito sopra menzionato (Figura 1) sono stati implementati utilizzando codice Python (File Supplementari 1-3) con IBM Qiskit ed eseguiti su un simulatore Local e IBMQ. Tuttavia, non sono in grado di essere eseguiti su dispositivi quantistici a causa della mancanza di qubit liberamente disponibili nei dispositivi quantistici esistenti. Di seguito è illustrato l'output dell'istogramma .......

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Discussion

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Il successo del protocollo di crittografia quantistica proposto si basa su tre fasi critiche: Quantum Random Number Generation (QRNG), Operazioni aritmetiche quantistiche utilizzando la trasformazione di Fourier veloce quantistica (QFFT e QIFFT) e Quantum Key Shuffling and Reshuffling. La fase QRNG stabilisce le basi della sicurezza generando chiavi simmetriche veramente casuali3. Le operazioni aritmetiche, eseguite utilizzando QFFT controllato e porte QFFT invers.......

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Disclosures

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Gli autori non hanno alcun conflitto di interessi.

Acknowledgements

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Questo lavoro è stato sostenuto dal Princess Nourah bint Abdulrahman University Researchers Supporting Project (PNURSP2025R755), Princess Nourah bint Abdulrahman University, Riyadh, Arabia Saudita. Gli autori sono grati al Decanato degli Studi Universitari e della Ricerca Scientifica dell'Università di Bisha per aver sostenuto questo lavoro attraverso il Fast-Track Research Support Program.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
GPU A100NVIDIAGPU 80G
ibm_brisbaneIBMhttps://quantum.ibm.com/Il computer quantistico superconduttore della famiglia IBM Quantum Eagle.
python3.10Python Software Foundationhttps://www.python.org/downloads/release/python-3100/
QiskitIBMhttps://www.ibm.com/quantum/qiskitUn SDK open-source per lavorare con computer quantistici a livello di circuiti quantistici estesi, operatori e primitive.

References

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  1. Quantum cryptography in practice. Elliott, C., Pearson, D., Troxel, G. Proc Conf Appl Technol Archit Protocols Comput Commun, 2003, 227-238 (2003).
  2. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing. Bennett, C. H., Brassard, G. Proc IEEE Int Conf Comput Syst Signal Process, 1 (1), 175-179 (1984).
  3. Techateerawat, P. A review on quantum cryptography technology. Int Trans J Eng Manage Appl Sci Technol.

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Quantum AlgorithmPost Quantum CryptographyQuantum ComputingQuantum CryptographyQuantum Fourier TransformationQuantum Random Number GeneratorQuantum MultiplicationQuantum CircuitQuantum CommunicationIBM Qiskit

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